衛(wèi)星通信地球站收發(fā)射頻設(shè)備技術(shù)性能指標(biāo)淺釋?zhuān)ㄈ?br/>—— 地球站接收設(shè)備性能指標(biāo)淺釋

甘仲民（解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院，南京 210007）

衛(wèi)星通信地球站收發(fā)射頻設(shè)備技術(shù)性能指標(biāo)淺釋?zhuān)ㄈ?br/>—— 地球站接收設(shè)備性能指標(biāo)淺釋

甘仲民
（解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院，南京 210007）

射頻設(shè)備，包括天線(xiàn)、接收機(jī)、發(fā)射機(jī)，是衛(wèi)星通信地球站的重要組成部分，決定了通信鏈路的傳輸性能，為了保證好的通信質(zhì)量、可靠性和電磁兼容性，對(duì)RF設(shè)備給出了嚴(yán)格的規(guī)定，構(gòu)成了一整套技術(shù)指標(biāo)體系，本講座將闡明這些指標(biāo)的定義和內(nèi)涵，并給出案例。

衛(wèi)星通信；地球站；射頻設(shè)備；技術(shù)性能指標(biāo)

1　引言

地球站接收設(shè)備的任務(wù)是接收來(lái)自衛(wèi)星的射頻信號(hào)，經(jīng)放大后送到后置的解調(diào)器和譯碼器處理，還原為基帶信號(hào)。其特點(diǎn)是：

（1）低噪聲性能。來(lái)自大氣、地球等的熱噪聲和接收機(jī)內(nèi)部的噪聲，是制約接收靈敏度的因素，當(dāng)?shù)厍蛘窘邮仗炀€(xiàn)尺寸一定時(shí)，應(yīng)盡可能減少接收機(jī)的內(nèi)部噪聲，以保證接收系統(tǒng)具有足夠高的靈敏度，即接收微弱信號(hào)的能力。

（2）高增益。從衛(wèi)星發(fā)來(lái)的信號(hào)，經(jīng)約40，000千米的距離傳送到達(dá)地球站時(shí)，因巨大的自由空間傳播衰減和其他衰減，變得極其微弱，要放大到足夠高的電平，除接收天線(xiàn)增益外，要求接收設(shè)備具有很高的增益。

（3）寬頻帶。通常每一地球站工作時(shí)僅接收衛(wèi)星某一或某幾個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器的信號(hào)，但要求接收設(shè)備的前端（低噪聲放大器及變頻前）一般應(yīng)覆蓋相應(yīng)衛(wèi)星的通信頻段帶寬，以便于放大所分配的衛(wèi)星上任一轉(zhuǎn)發(fā)器內(nèi)的頻率的信號(hào)。

（4）外差變頻體制。為了獲得高增益和高靈敏度、好的信號(hào)選擇性和電路的標(biāo)準(zhǔn)化，采用一次或二次變頻體制是合適的選擇。

如圖1所示，地球站射頻接收設(shè)備主要包括低噪聲前端（放大器）和下變頻器模塊，前者的主要功能是將微弱信號(hào)放大，后者的功能是將微波信號(hào)進(jìn)行頻率變換，變成中頻信號(hào)，而保持原有的信息。下面分別介紹其主要的技術(shù)性能指標(biāo)。

圖1　地球站射頻接收設(shè)備的基本組成

2　低噪聲前端技術(shù)指標(biāo)

（1）頻率范圍

如前文所述，通常地球站接收低噪聲放大器的工作頻率范圍與衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)頻段是一致的，這已在第一講的總技術(shù)指標(biāo)中明確。

（2）增益和增益平坦度

低噪聲放大器應(yīng)能將信號(hào)放大到足夠高的電平，以滿(mǎn)足下變頻器接口的要求。增益即功率放大倍數(shù)，常用分貝數(shù)表示，地球站低噪聲放大器增益的典型值為50～60dB。在放大器的整個(gè)頻率（數(shù)百兆赫）范圍內(nèi)，其增益-頻率特性不可能是理想平直，而是有起伏的，當(dāng)放大寬帶信號(hào)時(shí)，可能因此而產(chǎn)生失真，故應(yīng)對(duì)增益平坦度有一定的要求，即在全頻段或任意的某一頻段（如幾十兆赫）內(nèi)，最大增益與最小增益之差不超過(guò)某一數(shù)值。如某C，Ku低噪聲放大器的全頻段的增益平坦度為±0.5dB；任一40MHz帶內(nèi)的增益平坦度為±0.2dB。

（3）噪聲溫度

在物理學(xué)中，熱噪聲是傳導(dǎo)媒質(zhì)中電子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)釋放的電磁能量，通常用絕對(duì)溫度來(lái)描述，其頻譜分布在極寬的頻率范圍內(nèi)，對(duì)微波信號(hào)是一種干擾。在微波放大器中，除熱噪聲外，還有其他噪聲來(lái)源，如微波場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的谷間散射噪聲等。為方便，統(tǒng)統(tǒng)用等效噪聲溫度（T）來(lái)衡量其大小，此外，也常有用噪聲系數(shù)（F）來(lái)表示的，二者的關(guān)系是

式中，T0是室溫，通常取290K（絕對(duì)溫度）。

接收設(shè)備中，下變頻器也產(chǎn)生噪聲，但低噪聲放大器是起決定作用的。這是因?yàn)樾盘?hào)及放大器中的噪聲功率經(jīng)高增益放大后，其電平遠(yuǎn)高于下變頻器所產(chǎn)生的噪聲，后者的影響便可以忽略不計(jì)；當(dāng)然，這是以下變頻器的噪聲性能在某些可接受的范圍內(nèi)為前提的。

現(xiàn)回到第一講關(guān)于系統(tǒng)指標(biāo)中接收系統(tǒng)（G/T）值的評(píng)估。接收設(shè)備中以低噪聲放大器為主導(dǎo)的噪聲稱(chēng)為內(nèi)部噪聲，與天線(xiàn)噪聲及饋線(xiàn)損耗所產(chǎn)生的噪聲組成了接收系統(tǒng)的噪聲（見(jiàn)圖2），以圖2中的A點(diǎn)為參考，其總噪聲溫度由式（3）求得

圖2　接收系統(tǒng)噪聲溫度的組成

接收系統(tǒng)的（G/T）值用分貝表示時(shí)，按式（4）計(jì)算

式中，［GR］（dB）為接收天線(xiàn)增益，其余已在圖1中注明。

［例］工作于C頻段的地球站，已知用于接收時(shí)天線(xiàn)增益［G ］=38.2dB，［L］=0.25dB，T=40K，T=35K

利用式（3）求得

TS=40+（1.059-1）290+35=92K

再利用式（4）求得

［G/T］=38.2-0.25-10og92=18.35（dB/K）

（4）波比（輸入、輸出）

低噪聲放大器的輸入、輸出口分別與天線(xiàn)雙工器和下變頻器相連接，良好的匹配對(duì)保證放大器低噪聲性能和增益平坦度是至關(guān)重要的；此外，反射將引起電路傳輸相位特性的失真，解調(diào)性能惡化，因此，其輸入、輸出口的駐波比都要有較嚴(yán)格的要求。

（5）出功率（1dB壓縮點(diǎn)）

這是與放大器動(dòng)態(tài)范圍有關(guān)的一個(gè)參數(shù)。通常地球站低噪聲放大器接收并放大衛(wèi)星所有轉(zhuǎn)發(fā)器的信號(hào)，與不同口徑天線(xiàn)組合時(shí)，所放大的信號(hào)功率電平是不同的，這就需要在一定電平范圍內(nèi)的信號(hào)功率獲得有效的放大而不過(guò)載。如圖3所示，輸入功率增大到一定程度后，放大器將出現(xiàn)非線(xiàn)性，增益下降，當(dāng)放大器的線(xiàn)性增益下降1dB時(shí)的輸出功率，稱(chēng)為1dB壓縮點(diǎn)輸出功率，是放大器輸出功率的上限。所謂動(dòng)態(tài)范圍（DR），是指用分貝表示時(shí)1dB壓縮點(diǎn)輸入功率（［Pin，1dB］）與最小可檢測(cè)信號(hào)電平（MDS）之差

［DR］=［Pin，1dB］-［MDS］（5）

圖3　放大器的輸入-輸出轉(zhuǎn)移特性

（6）階互調(diào)輸出截點(diǎn)

這個(gè)指標(biāo)是用來(lái)描述放大器的線(xiàn)性性能的，在第四講中將做進(jìn)一步說(shuō)明。

（7）時(shí)延特性

根據(jù)ITU-R V.662-3建議，群時(shí)延是指若干頻率中的最高和最低頻率通過(guò)器件、電路或者系統(tǒng)的傳輸時(shí)間差?？梢赃@樣理解，信號(hào)通過(guò)器件、電路或系統(tǒng)時(shí)，將產(chǎn)生附加的相移，此相移隨不同頻率而變，稱(chēng)之為相-頻特性。

例如：一種濾波器的相位-頻率特性如圖4所示，設(shè)某一中心角頻率為ω的信號(hào)經(jīng)傳輸后，以其為中心的一小組頻率Δω產(chǎn)生的相位滯后為Δθ，當(dāng)Δω相對(duì)于ω足夠小時(shí)，按導(dǎo)數(shù)定義，便有

圖4　一種濾波器的相位-頻率特性和群時(shí)延

還要指出，對(duì)于ω本身所產(chǎn)生的相位滯后為θ，相應(yīng)的相位時(shí)延是

從物理意義來(lái)看，群時(shí)延實(shí)際上是信號(hào)包絡(luò)的時(shí)延，為便于理解，我們用調(diào)幅信號(hào)作為例子來(lái)說(shuō)明。

式中，E（t ）=（1+mcosωmt）為包絡(luò)函數(shù)；ωc為載波角頻率；ωm為調(diào)制角頻率；m為調(diào)制指數(shù)，0≤m≤1。

f（t）還可進(jìn)一步表為

信號(hào)f（t）經(jīng)電路傳輸后的輸出為（推導(dǎo)過(guò)程略）

u（t ）=［1+mcosωm（t-τ0）］cosωc（t-Tp）

可見(jiàn)，載波頻率引入了相位時(shí)延TP，而調(diào)幅波包絡(luò)的θ時(shí)（ω延）=為-τ0ω。這-θ個(gè)0結(jié)論，對(duì)于由調(diào)制包絡(luò)和正（余）弦載波構(gòu)成的信號(hào)都是成立的。

如上文所述，當(dāng)傳輸電路的相-頻特性為理想的線(xiàn)性關(guān)系時(shí)，群時(shí)延為一常數(shù)，這樣，輸出信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)只產(chǎn)生一恒定的時(shí)延，對(duì)信號(hào)的正確檢測(cè)沒(méi)有影響。實(shí)際上，通常濾波器的相-頻特性不是理想的線(xiàn)性，舉例說(shuō)，圖5給出0.1dB等波紋契比雪夫低通原型濾波器的幅-頻與群時(shí)延特性。電路的相-頻特性的非線(xiàn)性將導(dǎo)致信號(hào)波形的失真（見(jiàn)圖6），并使符號(hào)之間出現(xiàn)干擾，從而使信噪比（Eb/N0）惡化，數(shù)字通信中的誤比特率增加。

通常群時(shí)延特性可利用儀表測(cè)量來(lái)獲得，所得到的曲線(xiàn)可分解為一次項(xiàng)、二次（拋物線(xiàn)）項(xiàng)和波動(dòng)分量，技術(shù)指標(biāo)分別明確對(duì)其要求。圖7是在濾波器的幅-頻特性平坦的前提下，群時(shí)延分別是拋物線(xiàn)和立方形，誤比特率為10-6時(shí)由于濾波畸變而必需增加的Eb/N0。

圖7　濾波器的幅頻特性是平坦的，相位特性分別是拋物線(xiàn)及立方形時(shí)，由濾波畸變使QPSK，BPSK信號(hào)有效Eb/No的增加量（性能降低量）

圖5　契比雪夫?yàn)V波器的幅頻特性與相位特性

圖6　群時(shí)延失真引起的脈沖波形的失真

（8）幅-相變換（AM/PM）

放大器的幅-相特性是指信號(hào)在不同的輸入電平時(shí)引入的附加相移，一般在較低的信號(hào)輸入功率所產(chǎn)生的附加相移是不大的，然后隨著輸入功率的增加而加大，就是說(shuō)幅-相特性存在著非線(xiàn)性，它與上面所講的相-頻特性的非線(xiàn)性是不同的。二者的因變量都是相位，但自變量則分別為輸入功率（對(duì)于AM/PM）和頻率（對(duì)于相-頻特性）。通常是用幅-相變換系數(shù)作為技術(shù)指標(biāo)，即某一輸入或輸出功率點(diǎn)處，相應(yīng)一小功率增量所產(chǎn)生的相位增量（°/dB）。

（9）增益穩(wěn)定性

衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中分配給各載波的功率是一定的，相應(yīng)地，各地球站接收到的載波功率也應(yīng)嚴(yán)格一定，在工作過(guò)程中，放大器的增益應(yīng)保持穩(wěn)定，通常要對(duì)下述兩種情況提出要求：

恒溫下的增益穩(wěn)定度：分別規(guī)定在10分鐘、24小時(shí)和1周內(nèi)，放大器的增益變化應(yīng)在一定范圍內(nèi)。

溫度變化時(shí)的增益穩(wěn)定度：在額定工作溫度范圍（例如-40℃～+70℃）內(nèi)，規(guī)定溫度每變化1℃時(shí)、或在某一溫度范圍內(nèi)，增益的變化不超過(guò)某一數(shù)值。

（10）最大輸入功率

放大器要具有一定的承受功率的能力，用下列門(mén)限衡量：

損壞門(mén)限：在此功率電平上，放大器不損壞。

靈敏度門(mén)限：發(fā)射機(jī)的泄漏功率，有可能使低噪聲放大器產(chǎn)生“阻塞”而導(dǎo)致對(duì)接收信號(hào)的抑制，要設(shè)定某一門(mén)限，僅當(dāng)超過(guò)此門(mén)限時(shí)，才出現(xiàn)接收靈敏度的降低。

（11）接頭

輸入端：一般低噪聲放大器的輸入口是波導(dǎo)型的，以便于與雙工器的連接，工作于不同頻段，波導(dǎo)橫截面的尺寸是嚴(yán)格規(guī)定的。

輸出端：一般低噪聲放大器的輸出口是同軸型的，以便于通過(guò)同軸電纜與下變頻模塊連接。同軸接頭包括阻抗和類(lèi)型（如N型或其他），通用產(chǎn)品通常是標(biāo)準(zhǔn)化的。

接頭還應(yīng)有足夠的功率承受能力，如表1所示。

表1　一種C頻段低噪聲放大器的性能技術(shù)指標(biāo)

圖8　放大器的噪聲性能

3　下變頻器

下變頻器的用途是將低噪聲放大器輸出的微波信號(hào)下變頻為中頻信號(hào)，以便于進(jìn)行解調(diào)。在地球站中通常采用二次變頻方案，以獲好的選擇性和靈活性。其基本組成如圖9所示。

圖9　下變頻器的基本組成

為了通用化，一般第一中頻采用標(biāo)準(zhǔn)的L頻段（945MHz～1450MHz）；第二中頻為70MHz或140MHz。也有的下變頻器輸出為L(zhǎng)頻段，再送到解調(diào)器做進(jìn)一步處理。由于第一次變頻是將低噪聲放大器送來(lái)的、涵蓋衛(wèi)星所有轉(zhuǎn)發(fā)器的信號(hào)變頻輸出，而對(duì)于具體的用戶(hù)地球站（終端）來(lái)說(shuō)，僅需選取出某一轉(zhuǎn)發(fā)器的某一路或某幾路信號(hào)，故第二本振通常采用頻率合成器，來(lái)滿(mǎn)足對(duì)選頻的要求。

下變頻器的主要技術(shù)指標(biāo)及其含義詮釋如下：

（1）射頻輸入

頻率范圍：應(yīng)滿(mǎn)足地球站總體指標(biāo)的要求，即與衛(wèi)星下行頻率范圍相匹配。

接頭：一般采用標(biāo)準(zhǔn)的5 0Ω接口，可選用SMA-F（陰）型或N-F型。

駐波比：要保證與低噪聲放大器輸出口有良好的匹配。

（2）中頻輸出

頻率：采用標(biāo)準(zhǔn)的中頻（70±20MHz或140± 40MHz）。

輸出功率：一般規(guī)定1dB增益壓縮點(diǎn)的輸出功率。

接頭：一般采用50Ω接口，采用BNC-F（陰）型。

頻合器步進(jìn)級(jí)：明確中頻可調(diào)的頻率最小間隔。

駐波比：要保證與解調(diào)器輸入端口有良好的匹配。

（3）變頻增益及增益調(diào)整能力

要能將變頻后的中頻信號(hào)放大到足夠的功率電平，并可適當(dāng)調(diào)節(jié)，滿(mǎn)足解調(diào)器的輸入要求。增益調(diào)節(jié)包括調(diào)節(jié)范圍和步進(jìn)級(jí)。

（4）頻率響應(yīng)

即幅-頻響應(yīng)（增益-頻率響應(yīng)），通常要求全頻段和每小段（如每40MHz）范圍內(nèi)，增益變化不超過(guò)某一數(shù)值。

（5）增益穩(wěn)定性

包括恒溫（如25℃）下和工作溫度范圍（如0℃～40℃）內(nèi)，增益變化在規(guī)定的數(shù)值內(nèi)。

（6）噪聲系數(shù)

如上述，下變頻器對(duì)接收系統(tǒng)的噪聲性能的影響不是關(guān)鍵的，但也應(yīng)有適當(dāng)?shù)囊螅驗(yàn)檫^(guò)高的噪聲電平會(huì)占去中頻放大器的功率，也是有害的。

（7）群時(shí)延

其含義已在講座（一）中所述。

（8）諧波

下變頻器中的混頻器是一種非線(xiàn)性器件，混頻時(shí)會(huì)伴隨產(chǎn)生本振和信號(hào)的各種組合頻率和諧波分量，是不希望出現(xiàn)的，

（9）相位噪聲

相位噪聲是本振信號(hào)（單頻）相位受熱噪聲等調(diào)制引起的隨機(jī)起伏。相位的時(shí)間變化率便是頻率，即相位噪聲導(dǎo)致瞬時(shí)頻率偏離標(biāo)稱(chēng)頻率。圖10是理想振蕩器與實(shí)際振蕩器的頻譜圖。相位噪聲功率譜密度的分布和大小，是振蕩器頻譜純度的度量，通常用幾處具有代表性偏離載波頻率點(diǎn)（100Hz，1kHz，10kHz，100kHz，1MHz）的相對(duì)功率譜密度（dBc/Hz）來(lái)表示。

圖10　理想和實(shí)際振蕩器的頻譜

對(duì)于數(shù)字信號(hào)的傳輸來(lái)說(shuō)，相位噪聲干擾了載波恢復(fù)環(huán)路的鎖定，并且由于載噪比惡化而使誤比特率增加；對(duì)QPSK等多進(jìn)制移相鍵控信號(hào)矢量的相角發(fā)生瞬時(shí)變化，當(dāng)落入相鄰的相位區(qū)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤判決。圖11是不同相位噪聲分布區(qū)對(duì)不同通信方式的影響。

圖11　不同相位噪聲分布區(qū)對(duì)不同通信方式的影響

（10）寄生（雜散）信號(hào)

變頻器中的混頻器是一種非線(xiàn)性器件，混頻時(shí)會(huì)伴隨產(chǎn)生各種組合頻率分量，有關(guān)于載波和非載波的，要求其電平足夠低，不會(huì)對(duì)有用信號(hào)產(chǎn)生影響。

（11）三階互調(diào)產(chǎn)物

如圖12所示，當(dāng)混頻器輸入f1，f2時(shí)，在輸出所希望的fIF1（=f1-fLO），fIF2（=f2-fLO）之外，由于混頻器的非線(xiàn)性，還有下列稱(chēng)之為三階互調(diào)產(chǎn)物的輸出

這些頻率之間的間隔是

由于這些互調(diào)產(chǎn)物與有用信號(hào)之間靠得很近，可能落入有用信號(hào)帶內(nèi)，造成干擾，因此要求其電平足夠低，通常規(guī)定在某一輸出功率時(shí)，用低于有用的中頻信號(hào)的相對(duì)功率電平（dBc）來(lái)表示。

圖12　下變頻器輸出的中頻和互調(diào)產(chǎn)物

（12）頻譜敏感性

這是保證變頻后無(wú)頻譜翻轉(zhuǎn)（倒置）的指標(biāo)。所謂頻譜翻轉(zhuǎn)，是指輸出信號(hào)頻譜上、下位置互易。當(dāng)fS＞fL時(shí)，此現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生；反之，當(dāng)fS＜fL時(shí)，將出現(xiàn)頻譜翻轉(zhuǎn)。以圖13所示的兩路信號(hào)為例，此時(shí)的中頻信號(hào)輸出排列順序與射頻相反，如果這兩路信號(hào)是分別傳送給兩個(gè)用戶(hù)的，將發(fā)生錯(cuò)收，這是多路信號(hào)工作時(shí)需要避免的。

圖13　頻譜倒置的產(chǎn)生

（13）參考源

一般上、下變頻器中都同采用一個(gè)高穩(wěn)定度的晶體振蕩器作為本振（頻率合成器或鎖相振蕩器）的參考源，其性能對(duì)本振性能水平是至關(guān)重要的。對(duì)參考源的主要要求包括振蕩頻率、頻率穩(wěn)定度、相位噪聲等。

表2　一種C頻段下變頻器性能技術(shù)指標(biāo)

注：ppm=10-6；1E-8=10-8?！?/p>

［1］甘仲民，張更新，王華力等.毫米波通信技術(shù)與系統(tǒng).北京：電子工業(yè)出版社，2003

［2］Behzad Razavi. RF Micoelectronics. NJ：Prentice Hall PTR.1998

［3］J.J.斯普里凱爾著.白延隆，李道本等譯.數(shù)字衛(wèi)星通信.北京：人民郵電出版社，1980

Introduction of Technical Performance Specification for Receiving-Transmitting RF Equipment of a Satellite Communications Earth Station （Part 3）-- Introduction of Technical Performance Specification for Receiver of Earth Station

Gan Zhongmin
（Institute of Communication Engineering， PLAUST， Nanjing， 210007）

RF equipment， including antenna and transceiver， is an important part of a satellite communications earth station. It determines the performance of a communication link. To guarantee good communication quality，reliability and electromagnetic compatibility， strict regulations for RF equipment are made， and a complete set of technical performance specifications is constructed. In this series of lectures， we will explain definitions and content of these technical specifications， and give examples in practical applications.

satellite communications； earth station； RF equipment； technical performance specification

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.03.001

TN927+.2

A

1672-7274（2015）03-0001-07